盾构法水况洞设计与施工探讨

2013-05-04赵子杰刘烨华

水利规划与设计 2013年3期

赵子杰刘烨华

（北京市水利规划设计研究院北京 100048）

20世纪90年代以来我国的盾构工法发展速度很快，盾构工法已经成为我国城市地铁隧洞的主要施工方法，并在城市输水、天然气管道等水利、市政工程中得到推广应用。

近年来，南水北调配套工程陆续开始尝试采用盾构工法施工。北京市南水北调配套工程团城湖至第九水厂输水工程（一期）是北京市首次采用盾构工法建造的输水隧洞，全长8.2km，工程于2007年初开工建设，至2008年6月具备通水条件，为北京市和奥运供水安全提供了有力保障。

1 工程概

团城湖至第九水厂输水工程（一期）是北京市南水北调配套工程的重要组成部分。其中输水隧洞起自海淀区龙背村京密引水渠东侧，沿清河北岸呈东西走向，至五环路上清桥东北关西庄泵站，隧洞长约8.2km。工程设计供水流量18.23m3/s，最大供水流量24.30m3/s。

结合工程条件，经多方案比选，最终采用盾构工法施工。隧洞沿线下穿圆明园西路肖家河桥、信息路、城铁 13号线和京包铁路、京藏高速公路等20条主要公（铁）路和老龙口排水沟、清河2条河沟，局部穿越1层房屋。

工程区地层岩性自上而下分别为①素填土、②粘质粉土和砂质粉土、③中细砂、④卵砾石层、⑤粉质粘土和粘质粉土、⑥圆砾层、⑦粉质粘土。

输水隧洞上段3km主要处于④卵砾石层，局部为③中细砂层、⑤粉质粘土和粘质粉土层。④卵砾石层较密实，最大粒径一般 5~8cm，个别达 10cm以上，卵石含量约 20~35%，亚圆，级配较好，中细砂充填，母岩成份以石英岩、砂岩为主。输水隧洞下段约5.2km主要处于⑤粉质粘土和粘质粉土层，局部为⑥1中粗砂层及⑥圆砾层。沿线地下水埋深约10m，地下水受大气降水、侧向迳流和越流方式补给。

2 况洞断和线形设计18

2.1 况洞断形状与尺寸

已建成的盾构隧洞断面有半圆形、圆形、双圆搭接形、矩形等多种形状，但以圆形断面最为常用，已有Φ1.5m至Φ15m隧洞问世。北京地铁盾构隧洞全部为圆形，除地铁直径线开挖洞径即衬砌管片外径11.6m外，其余管片外径为6.0m。

对水工隧洞而言，圆形断面衬砌结构可更好地发挥衬砌结构与围岩联合承受内水压力作用，衬砌结构的应力状态均匀，工作条件较好。团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞为有压隧洞，适宜采用圆形断面。

盾构机为非定型产品，输水隧洞尺寸可按输水规模确定。团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞若仅考虑第九水厂的供水需求，设计供水流量18.23m3/s，采用直径5m的盾构机施工，二次衬砌后成洞 3.6m即可满足。但根据《北京市南水北调配套工程总体规划》的原则，为将来城市发展和全市水源联合调度预留条件，综合考虑现有施工设备尺寸以及城市未来可能的发展，最终确定输水隧洞加大流量为24.31m3/s，采用直径6m的盾构机施工，二次衬砌后成洞4.6m。

2.2 况洞平线形

从方便施工的角度出发，盾构隧洞的平面线形以直线和大曲率半径的曲线为最佳。但由于多数盾构隧洞位于市区内，线形受地表条件、地下构筑物及用地规划的制约，部分地段会出现小曲率半径的情形。

团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞平面布置上受地表条件限制设转弯 10处。理论上带有中折机构的 Φ6m盾构机可以实现曲率半径150m的曲线隧洞施工，不带中折机构的Φ6m盾构机可以实现曲率半径300m的曲线隧洞施工。实际施工中对于曲率半径小于350m的地段一般需要采取控制推进反力引起的管片变形和移动、加强壁后注浆、增加施工监测等措施，施工难度和风险加大。因此，考虑方便施工和降低风险，团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞平面线形最小转弯半径按400m控制。

2.3 况洞覆土厚度

从构筑竖井的难易、施工作业效率和隧洞建成后的管理维护等角度看，隧洞的埋深以浅为好。但是根据盾构工法施工原理，采用埋深太浅的隧洞易发生地层沉陷和冒顶等事故。

覆盖土层的厚度需要根据盾构隧洞断面尺寸、地质条件、地表建筑物、地下构筑物分布、沉降控制要求等因素综合确定。

团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞洞径 6m，属中型盾构。从地质条件看，隧洞所处地层自稳性较好，对地表沉降控制有利，隧洞覆土深度可适当减小。隧洞穿越肖家河桥、京包铁路和地铁13号线、京藏高速等公（铁）路20余条，局部穿民房、河（沟）道和地下管线，施工环境条件较为复杂，但重要风险源不多。

综合以上因素，输水隧洞覆土深度按1.5D设计，下穿河（沟）段覆土深度按不小于1D控制。局部穿越肖家河桥、京包铁路和地铁 13号线等重要风险源采取了地面预加固和洞内技术措施，控制地表构筑物沉降。

2.4 况洞纵段

隧洞的纵坡首先应满足使用要求。地铁设计考虑列车运行的要求，竖曲线半径一般不小于2000m。水工隧洞尤其是有压隧洞对隧洞纵坡、纵向转弯没有严格要求。团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞为重力流输水，隧洞纵段应满足不同输水流量时隧洞各段均在有压流状态下运行。

对于隧洞的纵坡，除了满足使用要求外，为使施工时的施工废水和渗漏水能够自流排出，纵坡以大于0.2~0.5%为宜；且隧洞纵坡不宜大于2%，否则会影响出渣和材料运输的效率。大坡度地段施工中需要采取各种防护措施确保施工安全。盾构法施工的隧洞变坡处应以满足盾构施工要求的竖曲线连接。

团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞交叉地下管线和构筑物埋深较小，对隧洞纵段设计限制不大。隧洞纵坡主要受首、末端设计高程控制，纵段上设竖曲线1处，曲线半径5000m，竖曲线以上纵坡0.67%，以下纵坡0.11%。

3 盾构工法水况洞施工筹划

3.1 盾构区划分

同一盾构隧洞，要缩短盾构区间的长度，就要相应地增加盾构井的数量，每增加一座盾构井就要增加相应的工程投资、拆迁占地投资及供水供电等临时设施的投资，盾构机完成一个区间的掘进后需要经过吊拆、转场和重新组装、调试等才能进入下一个区间施工。因此从上述因素看，盾构区间长度越大越好。

然而随着盾构一次掘进长度的增加，因缺乏系统的检修，盾构机出现故障、从而导致停工、甚至无法继续掘进的风险逐渐增大，尤其是利用现有旧设备的情况下更为突出。

另外，随着盾构机一次掘进长度增加，洞内出渣、进料运输的距离也逐渐加大，将在一定程度上导致工效降低和施工费用增加。因此，从施工安全风险控制和施工工效等角度分析，盾构区间的长度又不宜过长。

地铁区间隧洞施工一般以车站来划分盾构区间，车站间距一般为1km左右，即盾构区间长度为1km左右。不同于地铁，输水隧洞的区间划分主要考虑以下因素：

（1）经济合理性。

随着盾构区间长度的增加，盾构井投资、盾构机运输、组装、调试等摊销费用逐渐减少，而隧洞内物料运输距离加长、降效窝工导致的隧洞施工费用逐渐增加。在没有其它外部条件制约的情况下，理论上存在着最为经济合理的区间长度。但由于影响因素较多，不同工程特点和不同条件下，合理区间长度也不尽相同，难以测算统一标准。根据团城湖至第九水厂输水工程（一期）输水隧洞施工数据测算，其经济长度约为3km。

（2）工期要求。

输水隧洞的区间划分要与工期要求相适应。盾构输水隧洞的关键线路主要有施工准备、盾构井施工、盾构机组装调试、盾构掘进、二衬施工、阀井等建筑物施工、工程扫尾及验收等。根据团城湖至第九水厂输水工程（一期）实践和工期分析，采用盾构法施工的长距离输水隧洞，盾构区间划分2km左右，施工工期约 2年（不含设备采购）；盾构区间划分3km左右，施工工期约2.5~3年（不含设备采购）。

（3）盾构机检修需要。

这与盾构机的新旧程度和隧洞所处地质条件有关。

（4）盾构井布置条件，包括地面、地下建（构）筑物和地下管线。

盾构区间控制长度确定后，本着降低拆迁难度和拆迁投资、优先永临结合的原则，根据沿线地面建筑物、地下构筑物和管线分布情况、交通条件对盾构井的位置、盾构掘进方向进行多方案的权衡、比选，反复优化调整，最终确定盾构井的布置。考虑到盾构始发和接收的需要，盾构井尽量布置在平面和纵段上的直线段。

表1 水况洞盾构施工分段统计表

由于北京市水资源紧缺，为确保北京市和奥运供水安全，团城湖至第九水厂输水工程（一期）须与南水北调总干渠同期具备通水条件。根据当时的项目进展情况倒排工期，施工总工期仅 18个月。根据隧洞所处地质条件及沿线局部穿越建筑物的具体情况，盾构掘进单工作面综合月进尺取350m。为节约工期，各盾构区间布置有二衬竖井（与永久阀井结合），竖井间距在1km以内。经工期计算，最终确定满足工期要求的盾构区间长度控制在2km左右。

结合现场场地条件，共布置了5座盾构工作井，其中1#盾构井为单始发井，2#盾构井为始发兼接收井、4#盾构井为双始发井，3#和5#盾构井为接收井。将盾构隧洞划分成了 4个盾构区间，区间长度为1.7~2.1km不等。